ФОРМОВОЧНОЙ СМЕСИ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к области обработки материалов, к технологическому оборудованию для производства формованием из различных композитных материалов, производства изделий, из вторичного полиэфирного волокна, вторичной резиновой крошки, вторичного стекла, кварцевого песка, минералов и т.д., как наполнителя и связующего полимера для изготовления изделий различных форм, при возможном использовании изделий из сложных композитных материалов в различных отраслях строительства, строительных конструкций, установочных и укладочных конструкций, конструкций деталей машин и механизмов, коммуникационных систем и т.п.

Известна «Технологическая линия по производству полимерных строительных материалов» (патент РФ 2206452, В29В 17/00, 2003), включающая дозатор, загрузочное устройство, измельчитель пластика, регенератор с устройством выгрузки, измельчитель регенерированных пластиков, смеситель, устройство для подготовки формовочной смеси (реактор), формующее устройство с подвижной нижней плитой формы, сушильный стол .

Данная технологическая линия сложна в изготовлении и энергоёмкостна в работе, так как используется технологический цикл регенерации пластиков, что на практике является излишним.

Наиболее близким аналогом является «Система изготовления изделий из сыпучих материалов и полимерных отходов» (патент РФ 52360 Ul, В28В 15/00, 2006), включающая дробилку с подачей сырья, гидравлический пресс, линию подачи готовых изделий, сушку песка, устройство регенерации полимерных отходов, устройство нагрева и смешивания компонентов из 2-х зон нагрева с датчиками температуры, устройство управления системой ^" и устройства управления агрегатов.

Недостатком известной системы является то, что она основана на сложном процессе подготовки сырья, включающем сушку песка и регенерацию полимерных отходов, а это повышает энерго- и трудоемкость процесса и ухудшает свойства полимера. Кроме того, устройство смешивания не обеспечивает достаточное проталкивание смеси, при этом снижается производительность процесса, может происходить налипание смеси, затрудняющее работу всей линии.

Известен реактор для подготовки формовочной смеси (патент РФ 3489501, В29В 17/00, В29В 7/42, В29С 47/00, В29С 47/76, 2003) включающий установленный на станине корпус, в котором размещено устройство перемешивания в виде вала с установленными на нем ассиметрично лопастями, образующими три зоны механической обработки, терморегулирующий механизм с устройством управления, обеспечивающий образование трех температурных зон различной температурной обработки.

Недостатками устройства является резкий нагрев смеси во входной зоне, вследствие чего происходит преждевременное, еще до достаточного перемешивания с другими компонентами (например, песком), расплавление полимерной составляющей, что ведет к неравномерности перемешивания и налипанию полимерной массы на корпус и части вала, что в итоге снижает качество подготавливаемой к формовке смеси.

Известны конструкции устройств для периодического смешивания, такие как, например, смесителей Banbury®, имеющих два противовращающихся ротора, которые осуществляют интенсивное перемешивание эластомерного полимера(ов). Известна конструкция экструдера, описанного в патенте US 4897236, в котором описаны способ, и аппарат для непрерывного получения резиновой смеси, в котором ингредиенты смеси подают, перемешивают и гомогенизируют в двухшнековом экструдере.

Недостатком известных конструкций являются громоздкость и сложность конструкции, нестабильность обработки исходного продукта, вызванная сложностью траектории перемещения продукта, в силу чего, возможны местные перегревы в местах перехода, что приводит к возможному его запиранию в переходах.

Задачей изобретения является создание простой конструкции, обладающей высокой стабильностью и надёжностью, обеспечивающей равномерное прохождение формовочной композитной смеси.

Технический результат достигается путем создания в корпусе зон, имеющих разные температурные режимы для поэтапного воздействия на композитный материал. В зависимости от положения вала - горизонтальное, либо под углом, а также введение дополнительного вала, лопасти которого проходят между витками основного вала, устраняя налипание массы композитного материала.

Заявляемая линия является более универсальной и позволяет использовать как вторичное полимерное сырье, так и иные вязкие связующие для получения различных композитных смесей. Кроме того, данная линия более проста, экономична и эффективна. Предлагаемая технологическая линия позволяет исключить предварительную сушку песка или иного наполнителя композитной смеси и регенерацию пластика, обеспечивает равномерное прохождение сырья и его качественное, постепенное нагревание и перемешивание при температуре плавления пластика.

Поставленная задача достигается тем, что в состав линии входит устройство подготовки формовочной смеси с зоной загрузки, последнее расположено в корпусе, имеющем разнотемпературные зоны, и выполненное с возможностью перемешивания смеси, устройства выгрузки и приводные устройства, обеспечивающие работоспособность всех узлов линии.

Устройство подготовки формовочной смеси содержит вращающийся вал, на котором установлены лопасти, а разнотемпературные зоны корпуса расположены с возможностью создания поступательного повышения температуры и поддержания ее на заданном уровне в зависимости от консистенции смеси. Корпус устройства подготовки формовочной смеси расположен либо горизонтально, либо под углом, либо вертикально в зависимости от заданных условий расположения устройств загрузки и выгрузки композитного материала. Вал с расположенными на нем лопастями установлен с образованием зон механической обработки, которые расположены по линии, охватывающей вал спирали. Количество лопастей на валу выбирают пропорционально пластичности формовочной смеси. Лопасти расположены по линии, охватывающей вал по спирали, витки которой уплотняются в выходной зоне, при этом плотность расположения лопастей в ряду уменьшается к выходной зоне. Угол наклона лопастей выбирают, обеспечивая функцию очистки. Одним из вариантов выполнения вала является возможность создания его наборным, а последняя часть вала выполнена в виде цельнометаллического шнека.

Устройство подготовки формовочной содержит дополнительно установленный (ые) в корпусе не менее одного вспомогательного вала с расположенными на нем лопастями. Валы устанавливают с возможностью вращения в противоположном направлении. Диаметры валов выполняют равными, либо диаметр одного вала больше величины диаметра другого. Лопасти валов выполнены с зеркальным углом наклона и со сдвигом шага спирали, который выбирают эмпирически, исходя из условия очищения дополнительного вала, при этом лопасти на одном валу по своим размерам совпадают с лопастями расположенными на другом (их) валу (ах). Лопасти на одном валу по своим размерам могут отличаться от лопастей расположенных на другом (их) валу (ах). Количество лопастей на валах выбирают пропорционально пластичности загружаемой смеси, а ширину и высоту лопастей выбирают пропорционально пластичности загружаемой смеси. Угол наклона лопастей дополнительного вала выбирают в зависимости от конфигурации основного вала для выполнения функции очистки.

Для понимания сущности конструкции ниже приведены графические материалы, которые никоим образом не ограничивают все возможные варианты реализации заявленного технического решения. На чертежах представлена линия по производству изделий из композитного материала и устройство подготовки формовочной смеси при горизонтальном расположении валов.

На фиг.1 изображена схема линии,

на фиг. 2 представлено устройство для подготовки формовочной смеси с одним валом,

на фиг.З показан вид сбоку, расположение лопастей на валу,

на фиг.4 показан общий вид вала,

на фиг.5 показана схема расположения нагревательных элементов, на фиг. 6. представлено устройство для подготовки формовочной смеси с двумя валами.

Функциональные особенности заявляемой линии далее описаны для различных вариантов, когда в качестве композитного материала применяют наполнители.

Полимерная составляющая материала— это бывшие в употреблении, без предварительной глубокой очистки, и имеющие различные вкрапления, без однородности наполнителя по составу и фракции, в том числе с необработанным полимерным сырьем (в виде измельченного лома, разнородные по конфигурации пластиковых отходов и т.п.), а так же содержание различного вторичного наполнителя. Линия может не содержать устройство дробления, ввиду того что можно приобрести готовое сырье и наполнитель. Устройство для смешивания так же не требуется, так как необходимые компоненты можно перемешать ручным способом без применения специальных устройств.

Линия содержит следующие узлы и устройства: размещённые последовательно по ходу технологического процесса и технологически связанные между собой: Приводные устройства, предназначенные для обеспечения работы всех механизмов и узлов, включены в линию известным способом и на фигуре не показаны. Электропитание подается на все энергетически зависимые устройства, узлы и механизмы.

Линия содержит устройство 1 для подготовки формовочной смеси, снабжённое устройством 2 управления типа «контроллер», пресс 3 для формования изделий, представляет собой любую известную конструкцию гидравлического пресса, включающую разъемную пресс-форму с подвижной верхней плитой и обеспечивающую формование изделия заданной формы из пластичной, нагретой до оптимальной температуры формовочной массы.

Устройство подготовки формовочной смеси, изображенное на фиг.2 содержит закрепленный на станине 4 предпочтительно цилиндрический, металлический корпус 5, в котором установлен с возможностью вращения вал в виде вала 6 с расположенными на нем ассиметрично лопастями 7. Лопасти расположены таким образом, что образуют три участка ( или более) - зоны перемешивания, различаемые по плотности размещения лопастей на валу, от чего зависит интенсивность перемешивания и скорость продвижения массы внутри корпуса. Вращение вала обеспечивается приводом 8, через любой известный передаточный механизм 9. Внутри корпуса 5 расположено терморегулирующего устройства, которое состоит из как минимум двух датчиков температуры 10 и как минимум двух электронагревателей 1 1, подключенных к устройству управления 12. Электронагреватель 1 1 (фиг.5) включает нагревательный элемент 13, защищенный прокладкой 14 и защитным кожухом 15.

Устройство подготовки формовочной смеси (фиг.6) содержит загрузочный бункер 16 корпус 17, где установлены валы 18 и 19 с лопастями 20, которые приводятся в движение мотор-редуктором (верхний вал) 21 и электродвигателем 22 и редуктором 23 (нижний вал). В корпусе 17 установлены термо датчики 24 для контроля температуры. Устройство подготовки формовочной смеси дополнительно может содержать устройство плавного пуска, позволяющее регулировать скорость вращения вала посредством электропривода с регулируемой частотой.

Для пояснения расположения лопастей относительно вала и друг друга на фиг.З изображены участки зон перемешивания в двух проекциях, при этом I зона - это участок на входе в цилиндрический корпус, соответствующий начальному этапу обработки формовочной смеси и требующий наибольшей интенсивности перемешивания; II зона - наиболее протяженный средний участок; III зона - участок на выходе устройства. Лопасти в I зоне расположены в ряду по линии спирали с наименьшим шагом по отношению друг к другу, т.е. наиболее плотно в ряду. Во второй зоне шаг между соседними лопастями увеличивается. В III выходной зоне еще более увеличивается шаг между соседними в ряду лопастями.

Другой особенностью расположения лопастей на валу, как видно на Фиг.4, является расположение лопастей последовательно друг за другом по линии спирали, охватывающей вал. При этом витки спирали расположены более плотно на одном из концов вала, соответствующем III зоне на выходе устройства (т.е. конечному этапу обработки формовочной смеси). Таким образом, по мере продвижения по зонам обработки к выходу устройства, плотность витков спирали, по линии которой располагаются лопасти, увеличивается и становится максимальной на выходе, в III зоне, одновременно шаг между соседними в ряду лопастями становится большим, по отношению к зонам I, П.

Нагревание постоянно перемешиваемой массы и поддержание необходимого температурного режима внутри корпуса осуществляется посредством терморегулирующего устройства, которое состоит как минимум из двух датчиков температуры 10 и как минимум двух электронагревателей 11, подключенных к устройству управления 12. Количество электронагревателей и датчиков, применяемых в конструкции устройства для подготовки формовочной смеси, определяется с учетом длины корпуса и расчета температурного воздействия нагревательных элементов, протяженности и площади зон нагрева, зон перемешивания с различной плотностью расположения лопастей, рационального энергопотребления и электробезопасности. Терморегулирующее устройство создает соответствующий режим термообработки, при этом соответствующим электронагревателем обеспечивается в каждой из зон нагрева температура, контролируемая соответствующим датчиком. Процесс нагрева протекает как постепенный нагрев до температуры плавления в начале цикла и поддержание в последующем температуры плавления полимерного связующего. На входе установки, соответствующей 1-й зоне термообработки при температуре нагрева, но не плавления, происходит медленное и равномерное нагревание перемешиваемой смеси. В средней зоне и в выходной зоне I поддерживается температура плавления полимерного связующего (выбирается в соответствии с характеристиками полимера).

При скорости прохождения массы, обеспечиваемой расположением лопастей на валу, рассмотренных на фиг.З, в сочетании с достигнутой в каждой зоне вязкостью и эластичностью полимерной составляющей, осуществляют оптимальный режим для подготовки формовочной смеси. Примененные режимы исключают налипание полимерного связующего на стенки во входной зоне установки, позволяют исключить предварительную сушку композитных составляющих смеси, обеспечивают наиболее эффективное и равномерное перемешивание компонентов и нагрев смеси. Электронагреватель включает нагревательный элемент 13, представляющий собой уложенный на корпус «змейкой» и охватывающий его, с небольшим шагом, гибкий нагревательный элемент, например, кабель нагревостойкий с минеральной изоляцией в стальной оболочке. Нагревательный элемент защищен прокладкой 14 из диэлектрического листового материала, например, асбестового листа, и защитным кожухом 15. Кроме того, электронагреватель может содержать дополнительные нагревательные элементы. Количество нагревательных элементов, параллельно включенных в схему, (например, отрезков кабеля с любой конфигурацией укладки - змейкой, охватывающими витками, решеткой и т.д.) находится в зависимости от площади нагреваемой поверхности корпуса.

Электропитание подается отдельно на каждый нагревательный элемент, что повышает ремонтопригодность устройства и возможность замены в случае необходимости не всего электронагревателя, а лишь вышедшего из строя нагревательного элемента. В случае, если один из нагревательных элементов вышел из строя во время прохождения массы через соответствующую зону, предлагаемая конструкция позволяет процесс не прерывать и прогнать массу по корпусу и только после этого осуществить замену. В преимущественном случае исполнения кабель, применяемый в качестве нагревательного элемента, укладывают на корпус с равномерным шагом, выведя 2 конца для соединения посредством пайки (скрутки) или через распределительную коробку с электрической цепью переменного напряжения. Сверху уложенный змейкой кабель укрывают в предпочтительном варианте негорючим изоляционным листовым материалом. Кроме того, может применяться тепло- и электроизоляционное покрытие, в частности теплоизоляционные мастики, краски , лаки изоляционные материалы с входящим в состав аэрогелем. Поверх изолирующего материала размещают защитный кожух, преимущественно металлический.

В качестве нагревательных элементов могут быть применены любые известные ТЭНы, хомутовые нагреватели и т.д. конструктивно отвечающие задаче нагревания корпуса со всех сторон. Терморегулирующее устройство работает следующим образом.

Команда с контроллера поступает на магнитный пускатель, при этом на клеммы (концы) кабеля (нагревательного элемента) подается напряжение. При достижении необходимой для данного типа сырья температуры плавления на входе установки, соответствующей 1-й зоне термообработки, контролируемой датчиком температуры, на пускатель подается команда о прекращении нагрева. Непрерывное считывание показателей с температурных датчиков позволяет осуществлять непрерывный контроль за процессом нагрева/остывания смеси и осуществлять регулирование температуры. Аналогично процесс протекает в следующей зоне, соответствующей заданному температурному режиму.

Для осуществления безопасного пуска и защиты от перенапряжений в цепь подачи напряжения включают трехфазный автомат защиты. Кроме того, нагревательный элемент электронагревателя может быть выполнен на базе хомутовых нагревателей или индукционной катушки (типа: многовитковый кабельный индуктор), охватывающей корпус с соблюдением необходимого зазора. От окружающей среды катушки изолированы защитным кожухом, преимущественно металлическим, обеспечивающим максимальную теплоотдачу на корпус и минимальные потери тепла в окружающую среду. Процесс нагрева и, соответственно работа схемы в режиме нагрева, поддержания температуры, постоянного температурного контроля, протекает аналогично описанному выше.

Композитный материал представляет собой композицию из различных компонентов на базе вязкого связующего - полимеров, смол, клеев и т.п., с добавлением наполнителя вторичного полиэфирного волокна, вторичной резиновой крошки, вторичного стекла, кварцевого песка, минералов и т.д.

В полном технологическом цикле, когда исходным материалом является предварительно необработанное вторичное сырье, исходное сырье загружается в измельчитель для получения массы единообразных частиц. Устройство измельчения полимерных материалов и подготовки наполнителя представляет собой любую известную конструкцию, например, типа дробилки барабанного или роторного типа, обеспечивающую измельчение составляющих композита до массы из сравнительно единообразных частиц размером от 0, 1-10 мм до оптимально обеспечивающий применение в производстве, в зависимости от перерабатываемого материала.

В устройстве 1 подготовки формовочной смеси полученная масса расплавляется и перемешивается в установленных пропорциях подобранной рецептуры. Для колеровки может быть добавлен любой красящий пигмент, подобранный по термостойкости, сохраняющий свой цвет при нагревании и температуре плавления полимеров, например железно-окисный, в соответствующей пропорции.

Композиция из перечисленных ингредиентов подвергается постоянному механическому перемешиванию и температурному воздействию, продвигаясь последовательно по температурным зонам нагрева с образованием однородной пластичной массы с температурой, установленной для полимеров, используемых как связующее.

При прохождении с различной скоростью по разнотемпературным зонам в устройстве 1 формования за один проход композитная масса приобретает нужную для формования консистенцию, при этом за счет обеспечения предложенных температурных режимов в сочетании с обеспечением оптимального механического воздействия конструкции вала, удается исключить налипание связующего полимера на корпус, повысить производительность установки. Подготовленная к формованию масса, с температурой не ниже 50°С дозировано загружается в прессформу гидравлического пресса 3, особенностью которой является верхняя подвижная плита и нижняя неподвижная плита, где ей придается определенная форма. Все механизмы, устройства и приспособления, которые могут быть использованы при функционировании линии и обеспечивающие загрузку, выгрузку, дозирование, перемещение, температурный контроль и т.п. операции, широко известны и не требуют отдельных пояснений.

Обычно в линии устройство подготовки формовочной смеси установлено так, что корпус устройства расположен горизонтально, но при использовании прессов с карусельным замещением пресс- форм или с подвижным столом пресса для формования возможно использование устройства, расположенного конструктивно вертикально и с различными углами наклона, или выход готовой массы из устройства подготовки формовочной смеси расположен в нижней части корпуса и подается на выход масса вертикально, когда как само устройство выполнено горизонтально.

Устройство подготовки формовочной смеси работает следующим образом.

Сырье подается в загрузочный бункер 16 и под собственной массой просыпается в нижнюю часть корпуса 17, где продвигается нижним основным валом 18 по направлению от загрузочного бункера.

Продвижение и промешивание массы внутри корпуса 17 устройства осуществляется за счет вращения валов 18 и 19 с лопастями 20, которые приводятся в движение мотор-редуктором (верхний вал) 21 и электродвигателем 22 и редуктором 23 (нижний вал).

Основной нижний 18 вал отвечает за функции промешивания и продвижение массы через зоны нагрева по корпусу 17. Верхний 19 дополнительный вал выполняет дополнительные функции, направленные на облегчение подачи сырья к основному 18 валу, путем дополнительного ворошения загружаемых материалов. Верхний 19 вал предотвращает забивание загрузочного 16 бункера и возможное зависание сырья в нем.

Помимо прочего, дополнительный верхний 19 вал способствует более равномерному по сравнению с одноваловой конструкцией продвижению и перемешиванию сырья в корпусе 17. За счет того, что оба вала вращаются со значительным перехлестом лопастей 20, при этом лопасть 20 вала практически достает до оси вала, но не соприкасается с ним, этим достигается самоочищение валов и предотвращение образования пробок из массы сырья внутри корпуса 17. Лопасти 20 валов промешивают массу, снимают ее с соседнего вала и с внутренней поверхности корпуса 17 .

Овальное сечение корпуса 17 позволяет легко и эффективно устройством и методом дегазации решить вопрос удаления и отвода водных паров и газов, естественным путем скапливающихся в верхней части трубы.

При движении сырья по корпусу 17 через зоны нагрева, (в каждой зоне установлены термодатчики 24 для контроля температуры), испаряется остаточная влага (как из наполнителя массы, так и из полимерной основы). Далее происходит плавление и пластификация полимерной основы, с одновременным обволакиванием полимерной составляющей песка или прочего используемого наполнителя. Доходя до последней зоны нагрева в корпусе 17, загруженное сыпучее сырье преобразуется в однородную пластичную массу, состоящую из расплава полимера насыщенного наполнителем и пигментом для придания цвета.

По завершению процесса открывается заслонка и выгружается готовая композитная масса.

Горячая масса в консистенции тугого теста готова для последующей формовки в то или иное изделие в соответствующей пресс-форме, установленной на рабочий стол пресса, либо иными способами формовки композитной массы. Основными достоинствами предлагаемой конструкции устройство подготовки формовочной смеси является:

- наличие 2-х параллельно расположенных валов внутри корпуса;

- независимая система привода валов;

- привод основного рабочего вала от электродвигателя через редуктор допускается использование мотор-редуктора;

- привод вспомогательного вала от мотор-редуктора допускается использование электродвигателя через редуктор;

- возможность независимого и асинхронного управления скоростью вращения валов.

Основной конструктивной особенностью конструкции является наличие второго вала, работающего одновременно с основным и выполняющего вспомогательные функции.

Функции вспомогательного вала

- обеспечение подачи сырья на основной вал экструдера (особенно актуально для материалов имеющих легкую «пушную» фракцию низкой плотности);

- предотвращения локального «залипания» сырья и образование пробок внутри корпуса;

- очищение основного рабочего вала за счет перехлеста лопастей при вращении валов;

- возможность обратной подачи на любом из валов.

Использование овального сечения корпуса создает в верхней части корпуса зону разряжения и возможность свободной дегазации и отведения из него водяных паров испаряемых из сырья (наполнитель/полимер) в процессе приготовления пластичной композитной массы.

Предлагаемая конструкция устройства подготовки формовочной смеси обладает широкой универсальностью, позволяет изменять размерность основных узлов в широком диапазоне для создания различных модификаций устройства, предназначенных для работы с разными видами сырья и показателями производительности по выдаче готовой массы за единицу времени (модельный ряд оборудования).

Основными достоинствами предлагаемого технического решения - линии по производству изделий из композитного материала являются удобная конструкция; возможность использования множества вариантов конструкций для различных композитных материалов; простое обслуживание; хорошее перемешивание маловязких жидкостей; небольшая стоимость изготовления и ремонта; малый расход энергии.